CN1773313A - 波导组合物及由其形成的波导 - Google Patents

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Abstract

提供适用于形成柔性光波导的组合物。所述组合物包括一种聚合物，有式(RSiO1.5)的单元和多个官能端基，其中R为取代或未取代的有机基团。第一组分用于改变活化时干态组合物溶解度。第二组分包含多个选自羟基、氨基、硫醇、磺酸酯、羧酸酯、甲硅烷基酯、酐、氮丙啶、羟甲基甲基、甲硅烷基醚、及其组合的官能团。所述第二组分以改善活化前后干态组合物柔性的有效量存在。还提供柔性光波导、柔性光波导的形成方法及包括柔性光波导的电子器件。

Description

波导组合物及由其形成的波导
相关申请的交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2003年11月25日申请的US临时申请号60/524820的权益，其全部内容均引入本文供参考。
技术领域
本发明一般涉及波导领域。具体地，本发明涉及适用于形成柔性光波导的组合物。本发明还涉及柔性光波导的形成方法。本发明还涉及柔性光波导及包括柔性光波导的电子器件。
背景技术
在高速通信中利用脉冲序列光传输信号变得越来越重要。例如，集成光路(OICs)对于高带宽光学互连的重要性逐渐增加。因此，波导、滤光器、光学互连、透镜、和衍射光栅等光学元件的集成变得越来越重要。
光波导通常是用包层包围芯材构造的。由于包层的折射指数比芯材低，所以光辐射在芯材内传播。波导可单独使用或以阵列形式负载于基质之上。波导通常用光辐射执行无源操作。例如，分配器将一个波导内的光信号分配给两或多个波导；耦合器将来自两或多个波导的光信号加给更少数量的波导；波分复用(“WDM”)结构通常利用相控阵设计或光栅将输入光信号分成光谱不连续的输出信号，每个输出信号都与单独的波导相连。所述波导中可加入光谱过滤器、偏振器、和隔离器。波导还可包含有源功能，其中通过与第二光或电信号相互作用使输入信号改变。有源功能的例子包括放大和转换如用电-光、热-光或声-光装置。
波导基质包括例如用于服务设备的硅晶片和电路底板。希望能在芯材和/或包层材料中无裂纹缺陷的情况下操作波导。龟裂性通常是因涂层材料的脆性所致。许多有机聚合物基波导如聚酰亚胺是柔性的，但有其它缺点如吸湿、损耗和费用高。解决了有机聚合物体系的各种缺点的硅基体系通常是脆性的，操作时产生裂纹缺陷。
已提出可光致成像的波导芯，其中使部分涂料溶于有机溶剂产生所要结构。此技术的缺点在于使用难以处置、废物处理和/或包含在封闭环境中的有机溶剂。因而希望有利用含水显影剂由可光致成像涂料产生波导结构的方案。
已提出解决了微电路用层间介电涂层尤其是成孔组合物的脆性问题的硅-碳混合聚合物体系。例如，Chandross等US6251486公开一种用作低介电材料的改性甲基硅倍半氧烷组合物。所述甲基硅倍半氧烷包括二甲基和苯基侧基以提供比所有甲基硅倍半氧烷更好的抗裂性。这样，通过在涂布之前在聚合物中引入所述侧基使涂布制品获得抗裂性。侧基的选择和数量有限。因而希望利用与被涂组合物中的聚合物分离的组分改善柔性，因为这样可增加适用材料的选择和数量。因此本领域需要适用于制造光波导的组合物，该组合物具有有益的柔性而且可在含水显影液中显影。本领域还需要由这些组合物形成的波导、此波导的形成方法、和包括此波导的电子器件。
发明内容
一方面，本发明提供适用于制造柔性光波导的组合物。该组合物包括：有式(RSiO1.5)单元的聚合物，其中R为取代和/或未取代的有机基团，该聚合物有多个官能端基；用于改变活化时干态组合物溶解度的第一组分；和包含多个选自羟基、氨基、硫醇、磺酸酯、羧酸酯、甲硅烷基酯、酐、氮丙啶、羟甲基甲基、甲硅烷基醚、及其组合的官能团的第二组分。所述第二组分以改善活化前后干态组合物柔性的有效量存在。该组分活化时所述组合物在干态的溶解度可改变以致所述组合物可在显影液中显影。
第二方面，本发明提供一种柔性光波导。所述波导有芯和包层，其中所述芯和/或包层由组合物形成，所述组合物包括：有式(RSiO1.5)单元的聚合物，其中R为取代和/或未取代的有机基团，该聚合物有多个官能端基；用于改变活化时干态组合物溶解度的第一组分；和包含多个选自羟基、氨基、硫醇、磺酸酯、羧酸酯、甲硅烷基酯、酐、氮丙啶、羟甲基甲基、甲硅烷基醚、及其组合的官能团的第二组分。所述第二组分以改善活化前后干态组合物柔性的有效量存在。该组分活化时所述组合物在干态的溶解度可改变以致所述组合物可在显影液中显影。
第三方面，本发明提供一种包括上述柔性光波导的电子器件。
第四方面，本发明提供一种柔性光波导的形成方法。所述方法涉及：(a)由组合物在基质上形成层，所述组合物包括：有式(RSiO1.5)的聚合单元的聚合物，其中R为取代和/或未取代的有机基团，该聚合物有多个官能端基；用于改变活化时干态组合物溶解度的第一组分；和包含多个选自羟基、氨基、硫醇、磺酸酯、羧酸酯、甲硅烷基酯、酐、氮丙啶、羟甲基甲基、甲硅烷基醚、及其组合的官能团的第二组分；其中所述第二组分以改善活化前后干态组合物柔性的有效量存在；该组分活化时所述组合物在干态的溶解度可改变以致所述组合物可在显影液中显影；和(b)使所述层的至少一部分活化，其中所述层为芯或包层。
附图说明
结合以下附图论述本发明，其中相同的标记代表相同的特征，其中：
图1(a)-(e)以横截面示出根据本发明一方面的在其不同形成阶段的光波导；和
图2示出根据本发明一方面的典型电子器件。
具体实施方式
本发明提供适用于形成柔性光波导的组合物。除非另有说明，所述组合物的组分含量均基于不含任何溶剂的组合物以重量％给出。本文所用术语“聚合物”包括低聚物、二聚物、三聚物、和四聚物等，包括均聚物和更高级的聚合物，即由两或多种不同单体单元形成的聚合物和杂聚物。术语“烷基”意指直链、支链和环烷基，为取代或未取代的，链中或链上可包括杂原子。术语“芳族”意指芳基，为取代或未取代的，可包括杂环。术语“一种”意指“一或多种”。
术语“干态”意指包含10wt％或更少溶剂(基于总组合物)的组合物。术语“所述组合物在干态的溶解度可改变”意指对于10wt％或更低范围内的任何(未必每个)溶剂含量而言所述组合物的溶解度都可改变。
术语“可在含水显影剂中显影”意指在负性材料的情况下所述组合物(i)涂于硅晶片上以干态达8μm厚、(ii)然后置于2N NaOH显影液、2N KOH显影液或2N TMAH显影液、或其1N溶液、或其0.7N溶液、或其0.26N溶液中在70至180°F(21至82.2℃)的温度下静止显影或在40psi碰撞射流下喷雾显影时在10分钟内、或在2分钟内、或在1分钟内、或者甚至在30秒内完全溶解。所述组合物还能或二者择一地能在有机溶剂中显影。
术语“柔性的”或“柔性”涉及所述光波导时意指所述组合物涂于铜箔之上并以干态绕锥形芯棒弯曲而无破裂或龟裂的能力。锥形芯棒试验的详情为涂料工业公知例如ASTM D522-93a(2001年重新核准的)。
所述组合物包括有式(RSiO1.5)的聚合单元的聚合物，其中R为取代或未取代的有机基团，该聚合物有多个官能端基。所述组合物还包括用于改变活化时所述组合物的溶解度的组分。所述组合物还包括改善活化前后干态组合物柔性的有效量的含有多个选自羟基、氨基、硫醇、磺酸酯、羧酸酯、甲硅烷基酯、酐、氮丙啶、羟甲基甲基、甲硅烷基醚、及其组合的官能团的组分。该组分活化时所述组合物在干态的溶解度可改变以致所述组合物可在含水显影液中显影。
适用于本发明的聚合物包括例如硅氧烷、硅倍半氧烷、和笼型硅氧烷及其组合。该聚合物在所述组合物中的存在量为1至99.5wt％、例如60至98.5wt％。作为R的典型有机基团包括取代和未取代的烷基、芳基和杂环基。所述烷基可以是直链、支链或环状的，有例如1至20个碳原子、典型地有1至20个碳原子，如甲基、乙基、丙基、异丙基、叔丁基、叔戊基、辛基、癸基、十二烷基、鲸蜡基、硬脂基、环己基、和2-乙基己基。例如，所述烷基可被所述烷基链中和/或之上的杂原子取代，或者可以是非芳族环状基团如环戊基、环己基、降冰片基、金刚烷基、哌啶基、四氢呋喃基和四氢噻吩基。典型的芳基包括有6至20个碳原子、例如6至15个碳原子的那些，如苯基、甲苯基、苄基、1-萘基、2-萘基和2-菲基，可被杂原子取代。杂环基可以是芳族的，例如噻吩、吡啶、嘧啶、吡咯、phosphole、arsole、和呋喃。
典型的R为取代和未取代的甲基、乙基、丙基、环戊基、环己基、苄基、苯基、金刚烷基、及其组合。
所述聚合物可为共聚物或更高级的聚合物，为无规或嵌段共聚物。所述聚合物可包括例如一或多个其它含硅单元，各单元的比例基于所述聚合物在1至85wt％、例如15至80wt％或25至60wt％、或25至50wt％的范围内。所述其它单元可表示为例如硅氧烷、硅倍半氧烷、和笼型硅氧烷和/或其组合。例如，所述聚合物可还包括式(R1SiO1.5)的聚合单元，其中R1为前面针对R所述的取代或未取代的有机基团。例如，R和R1之一可选自取代或未取代的烷基，R和R1之另一选自取代或未取代的芳基。
所述聚合物可以是例如烷基硅聚合物如包含甲基硅倍半氧烷单元和丁基硅倍半氧烷单元的共聚物；芳基硅聚合物如包含苯基硅倍半氧烷单元和三氟甲基苯基-硅倍半氧烷单元的共聚物；或芳烷基硅共聚物如包含甲基和苯基硅倍半氧烷单元的共聚物。
如前面所述，所述聚合物的侧链基团可任选地被取代。“取代”意指所述侧链基团上的一或多个氢原子被另一取代基例如氘、卤素(如氟、溴、和氯)、(C1-C6)烷基、(C1-C6)卤代烷基、(C1-C10)烷氧基、(C1-C10)烷基羰基、(C1-C10)烷氧基羰基、(C1-C10)烷基酰基、烷基胺、含烷基硫的物质等取代。所述聚合物可包含宽范围的重复单元，无规或嵌段的。适用于本发明的聚合物单元可有例如5至150个重复单元、典型地约10至35个重复单元；适用于本发明的硅氧烷单元可有例如5至150个重复单元、典型地约7至25个重复单元。因此，所述聚合物的分子量可在宽范围内改变。典型地，所述聚合物的重均分子量(Mw)为约500至15000、更典型地为约1000至10000、甚至更典型地为约1000至5000。已发现本发明组合物在含水显影剂中的溶解速度随重均分子量Mw和数均分子量Mn的增加而降低。
所述聚合物还包括可发生缩聚的两或多个官能端基。此端基可以是例如羟基；烷氧基如乙氧基、丙氧基、异丙氧基；羧酯、氨基、酰氨基、环氧基、亚氨基、羧酸、酐、烯属的、丙烯酸类、缩醛、原酸酯、乙烯基醚、及其组合。其中，羟基是典型的。所述聚合物中官能端基的含量取决于例如所要改善柔性组分的掺入量。官能端基的含量可为例如基于所述聚合物约0.5至35wt％、例如约1至10wt％、或约2至5wt％。
所述聚合物还可任选地包括一或多个硅氧烷单元，例如苯基或甲基取代的硅氧烷。
所述聚合物材料可通过已知方法用易得到的原料制备。例如，含50∶50甲基-苯基硅的共聚物可通过50wt％甲基三乙氧基硅烷与50wt％苯基三乙氧基硅烷的缩合反应合成。
用于改变干态组合物溶解度的第一组分可以是存在于所述组合物中使所述组合物在显影剂中的溶解度可改变的活性组分。在负性材料的情况下，据信该活性组分催化所述聚合物组合物曝光部分的偶联，使所述偶联部分不溶于含水显影剂。活化时该活性组分典型地产生酸或碱。许多种活性组分可用于本发明，包括但不限于光致产酸剂、光致产碱剂、热致产酸剂和热致产碱剂。其中活化时产生酸的光致产酸剂和热致产酸剂组分是典型的。
适用于本发明的光致产酸剂可以是曝光时产生酸的任何化合物。适用的光致产酸剂是已知的，包括但不限于卤代三嗪、鎓盐、磺化酯、取代的羟基酰亚胺、取代的羟基亚胺、氮化物、萘醌如重氮萘醌、重氮化合物、及其组合。
特别适用的卤代三嗪包括例如卤代烷基三嗪如三卤代甲基-s-三嗪。所述s-三嗪化合物是某些甲基-三卤代甲基-s-三嗪与某些醛或醛衍生物的缩合反应产物。此类s-三嗪化合物可按US3954475和Wakabayashi et al.，Bulletin of the Chemical Society of Japan，42，2924-30(1969)中公开的方法制备。适用于本发明的其它三嗪型光致产酸剂公开在例如US5366846中。
有弱亲核阴离子的鎓盐特别适合用作为本发明中的光致产酸剂。此类阴离子的例子是二价至七价金属或非金属例如锑、锡、铁、铋、铝、镓、铟、钛、锆、钪、铬、铪、铜、硼、磷和砷的卤素配位阴离子。适合鎓盐的例子包括但不限于重氮鎓盐如二芳基重氮鎓盐和周期表第VA和B、IIA和B和I族的鎓盐，例如卤鎓盐如碘鎓盐、季铵、磷鎓和砷鎓盐、锍盐如芳族锍盐、氧化锍盐或硒盐。适合鎓盐的例子公开在例如US4442197、4603101和4624912中。锍盐如六氟磷酸三苯基锍及其混合物是优选的。
适合在本发明中作为光致产酸剂的磺化酯包括例如磺酰氧基酮。适合的磺化酯包括但不限于苯偶姻甲苯磺酸酯、α-(对甲苯磺酰氧基)乙酸叔丁苯酯、甲苯磺酸2，6-二硝基苄酯、和α-(对甲苯磺酰氧基)乙酸叔丁酯。此类磺化酯公开在例如Journal of Photopolymer Science andTechnology，vol.4，No.3，337-340(1991)中。
可使用的取代的羟基酰亚胺包括例如n-三氟甲磺酰氧基-2，3-二苯基马来酰亚胺和2-三氟甲苯磺酰氧基-2，3-二苯基马来酰亚胺。适用的取代的羟基亚胺包括例如2-(次氮基-2-甲基亚苄基)-(5-羟基亚氨基丁磺酰)-噻吩。适用于本发明的氮化物包括例如2，6-(4-叠氮亚苄基)环己酮。萘醌可包括例如2，3，4-三羟二苯酮的2，1-重氮萘醌-4-磺酸酯。所述重氮化合物中，可使用1，7-二(4-氯磺酰苯基)-4-重氮-3，5-庚二酮。
适用于本发明的光致产碱剂可以是曝光时释放碱的任何化合物。适用的光致产碱剂包括但不限于氨基甲酸苄酯、苯偶姻氨基甲酸酯、O-氨基甲酰羟胺、O-氨基甲酰肟、芳族磺酰胺、α-内酰胺、N-(2-烯丙基乙烯基)酰胺、芳基叠氮化合物、N-芳基甲酰胺、4-(邻硝基苯基)二氢吡啶、及其组合。
适用于本发明的热致产酸剂可以是热活化时产生酸的任何化合物。所述热量可通过间接法如对流加热或通过直接加热法如激光加热技术提供。
适用的热致产酸剂是已知的，包括但不限于卤代三嗪、酸的铵盐、鎓盐、磺化酯、取代的羟基酰亚胺、取代的羟基亚胺、叠氮化物、萘醌如重氮萘醌、重氮化合物、及其组合。
在负性材料的情况下，适用于本发明的改变溶解度的组分的用量是受到光化辐射或加热时足以催化所述含硅聚合物的偶联使偶联部分不溶于含水显影剂的任何量。所述活性组分在组合物中的存在量为0.1至25wt％、例如0.1至12wt％。
所述组合物中存在一或多种用于改善活化前后干态组合物柔性的组分。这些改善柔性的材料包含多个选自羟基、氨基、硫醇、磺酸酯、羧酸酯、甲硅烷基酯、酐、氮丙啶、羟甲基甲基、甲硅烷基醚、及其组合的官能团。所述改善柔性的材料中，所述官能团与主链材料相连。典型的主链材料包括取代和未取代的烷基和芳基烃、醚、丙烯酸酯、酚醛清漆树脂、聚酰亚胺、聚氨酯、聚酯、聚砜、聚酮、富勒烯、POSS硅、纳米粒子、及其组合。所述官能团可作为端基位于主链之上和/或沿主链的一或多个位置。
虽然不依附于理论，但相信所述官能化组分与所述聚合物混合影响与涂层脆性有关的结晶度。所述活化步骤期间，位于端部或整个主链上的官能团与所述聚合物的官能端基反应产生与所述组合物活化部分的增韧键合。
增韧组分的例子是式R2(OH)x的多元醇，其中R2为选自取代或未取代的(C2-C25)烷基、(C7-C25)芳基、(C8-C25)芳烷基、(C6-C25)环烷基及其组合的有机基团，x为2或更多而且不超过碳原子数。x为2时，所述增韧组分的例子包括二醇即1，2-二醇，如HOCH2-CHOH-(CH2)y-CH3，其中y可为例如0至22，如1，2-丙二醇和1，2-丁二醇。其它例子包括α，ω-二醇如HO-(CH2)z-OH，其中z为例如2至25，如乙二醇、1，3-丙二醇和1，4-丁二醇。x为3时，例子包括甘油和三羟甲基丙烷。
R2还可以是式-O-(CR3 2)w-的聚醚，其中w为例如1至13，R3相同或不同，可以是例如H、或取代或未取代的式C1-C12烷基、芳基、芳烷基或环烷基的有机基团。增韧组分的例子包括聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚环氧丁烷、和聚四氢呋喃的聚醚二醇。
所述改善柔性的组分可有例如62至5000、例如62至2000的重均分子量。该组分以改善活化前后干态组合物柔性的有效量存在。具体量取决于例如所述改善柔性的组分的主链和官能团的类型和数量。该组分在所述组合物中的存在量可为例如0.5至35wt％、例如2至20wt％。
本发明组合物中可任选地存在其它添加剂，包括但不限于表面均化剂、湿润剂、消泡剂、增粘剂、和触变剂等。此类添加剂为涂料组合物领域公知。本发明组合物中可使用表面均化剂，例如硅氧烷-基油如来自Dow Chemical Company的SILWET L-7604硅氧烷-基油。显然本发明组合物中可混入多于一种添加剂。例如，可使湿润剂与触变剂组合。此类可选的添加剂可从许多来源商购。此类可选添加剂在本发明组合物中的用量取决于具体的添加剂和所要效果，本领域技术人员能够确定。此类其它添加剂在本发明组合物中的存在量典型地低于5wt％、例如低于2.5wt％。
本发明组合物可任选地包含一或多种有机交联剂。交联剂包括例如以三维方式连接所述组合物的组分的物质。与所述含硅聚合物反应的芳族或脂族交联剂适用于本发明。此类有机交联剂将固化而与所述含硅聚合物形成聚合网络，并降低在显影液中的溶解度。此类有机交联剂可以是单体或聚合物。交联剂的组合可成功地用于本发明对于本领域技术人员来说是显而易见的。
适用于本发明的有机交联剂包括但不限于：含胺的化合物、含环氧基的物质、含至少两个乙烯醚基团的化合物、烯丙基取代的芳族化合物及其组合。典型的交联剂包括含胺的化合物和含环氧基的物质。
适合在本发明中用作交联剂的含胺化合物包括但不限于：蜜胺单体、蜜胺聚合物、羟烷基甲基蜜胺、苯并胍胺树脂、苯并胍胺-甲醛树脂、脲-甲醛树脂、甘脲-甲醛树脂及其组合。
适合的有机交联剂浓度将随交联剂的反应性和所述组合物的具体应用等因素改变对于本领域技术人员来说是显而易见的。使用时，交联剂在所述组合物中的存在量典型地为0.1至50wt％、例如0.5至25wt％或1至20wt％。
本发明组合物可任选地包含一或多种溶剂。这些溶剂有助于配制本发明组合物和将本发明组合物涂于基质之上。可使用各种各样的溶剂。适合的溶剂包括但不限于二醇醚如乙二醇单甲醚、丙二醇单甲醚、二丙二醇单甲醚；酯如甲基溶纤剂乙酸酯、乙基溶纤剂乙酸酯、丙二醇单甲醚乙酸酯、二丙二醇单甲醚乙酸酯；二元酸酯；碳酸酯如碳酸亚丙酯；γ-丁内酯；酯如乳酸乙酯、乙酸正戊酯和乙酸正丁酯；醇如正丙醇和异丙醇；酮如环己酮、甲基异丁基酮、二异丁酮和2-庚酮；内酯如γ-丁内酯和γ-己内酯；醚如二苯醚和茴香醚；烃如1，3，5-三甲基苯、甲苯和二甲苯；和杂环化合物如N-甲基-2-吡咯烷酮、N，N’-二甲基亚丙基脲，或其混合物。
本发明组合物可通过所述含硅聚合物、所述催化组分、和其它可选组分以任何次序混合制备。
本发明组合物特别适用于制造柔性光波导。光波导可用于形成光-电装置，包括但不限于分配器、耦合器、光谱过滤器、偏振器、隔离器、多路复用器如波分复用结构、放大器、衰减器、和转换开关等，或更大规模地用于电子器件如印刷线路板、集成电路、和互连等。本发明光可限定组合物还特别适用于制造显示设备包括透镜以及诸如镜子、棱镜和连接器等光学元件。本文所用术语电子器件打算包括光电装置例如前面所述的那些以及上述包括光电装置的更大规模的器件。
本发明波导可制成单波导或波导阵列。用本发明组合物制备波导的方法涉及：(a)由上述组合物在基质上形成层，和(b)使所述层的至少一部分活化，其中所述层为包层或芯层。本发明组合物适用于形成波导包层和/或芯结构。仅作为例子描述有由本发明组合物形成的包层和芯结构的柔性光波导的形成方法。通过沉积芯层和第一及第二包层形成波导。最终结构的包层有比芯层更低的折光指数。特别有用的波导包括折光指数为1.4至1.7的芯层和折光指数为1.3至1.69的包层。
参见图1，适用于承载波导的任何基质2都可与本发明组合物和构造一起使用。适合的基质包括但不限于用于制造电子器件如印刷线路板和集成电路的基质。特别适用的基质包括铜复合板的层压面和铜表面、铜箔、印刷线路板内层和外层、用于制造集成电路的晶片如硅、砷化镓和磷化铟晶片、玻璃基质包括但不限于液晶显示(“LCD”)玻璃基质、和包括介电涂层和包层等的基质。
可在基质表面2上形成第一包层4。所述第一包层4(以及所述其它波导层)可通过任何技术包括但不限于丝网印刷、帘式淋涂、辊涂、缝模涂布、旋涂、流涂、静电喷吹、喷涂、或浸涂由本发明组合物形成。喷涂本发明组合物和构造时，可任选地使用热喷枪。可用粘度调节剂、触变剂、和填料等调节组合物的粘度以满足各种涂布方法的要求。所述第一包层沉积至干态厚度为约1至100μm、例如约10至50μm。
根据第一包层组合物中活性组分的类型可利用例如热或光解使第一包层4固化。热固化温度为90至300℃、例如90至220℃。此类固化典型地在5秒至1小时内完成。可通过在烘箱或加热板上加热所述基质实现此固化。或者使所述波导包层泛光曝光例如用1至2J/cm2的光化辐射然后在90至300℃、例如90至220℃下热固化。
在由本发明组合物形成的第一包层上形成芯层6。所述芯层涂至厚约1至100μm、例如约8至60μm。然后使涂布基质软固化(例如通过烘烤)除去涂料中的溶剂。此固化可在不同温度下进行，取决于所选溶剂。适合的温度为足以基本上除去所存在的任何溶剂的任何温度。所述软固化可在室温(25℃)至300℃的任何温度，取决于例如基质和热预算。此固化可在烘箱内或加热板上经过例如5秒至60分钟实现。
固化后，可通过暴露于光化辐射使本发明组合物层成像。此方法包括例如接触成像、投影成像、和激光直接书写成像，包括通过多光子吸收的激光直接书写成像。需要时，可用多光子吸收在层内形成三维结构。曝光图案(例如图1中掩模8所限定的)限定芯波导的几何图形，典型地(但未必)为约几厘米至几米长、几微米至几百微米宽。曝光后，可使所述组合物进行曝光后固化，典型地在40至170℃下进行。固化时间可改变，但一般为约30秒至约1小时。虽然不想受理论束缚，但相信在负性材料的情况下暴露于光化辐射时所述含硅聚合物偶联，使曝光区域比未曝光区域更不易溶于显影液。
可除去未曝光区域，例如通过与适合的显影剂接触，使基质上仅留下已曝光区域，从而形成图1中的芯结构6。所述组合物可在含水显影液中显影。适合的含水显影剂包括例如碱金属氢氧化物如氢氧化钠和氢氧化钾的水溶液、以及氢氧化四烷基铵如氢氧化四甲铵的水溶液。此显影剂典型地以0.1至2N、例如0.15至1N、或0.26至0.7N的浓度使用。所述显影液可任选地包括一或多种已知表面活性剂如聚乙二醇、烷基磺酸盐、和本领域公知的其它表面活性剂。所述表面活性剂典型地以0.01至3wt％的量存在于显影剂内。所述显影剂还利于包含消泡剂。
也可通过与非含水显影剂接触除去未曝光区域使基质上仅留下已曝光区域。适合的非含水显影剂包括例如酮类例如丙酮、甲乙酮、甲基异丁基酮、环己酮、2-辛酮、2-庚酮和甲基异戊基酮；醇类如乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇和戊醇；酯类如乙酸乙酯、丙酸乙酯和乳酸乙酯；二醇醚如乙二醇甲醚、丙二醇乙醚、丙二醇甲醚；二醇醚酯如乙二醇单甲醚乙酸酯和丙二醇单甲醚乙酸酯；芳烃如甲苯、二甲苯、氯苯、和二氯苯等，及其组合。
也可使用半含水显影剂，即上述含水显影剂与上述非含水显影剂的结合物。
此显影可在各种温度如室温至约65℃、例如21至49℃下进行。在侵蚀性搅拌下显影时间在10分钟以内、例如在5分钟以内、在2分钟以内、在1分钟以内、或在30秒以内。显影可在例如静止显影室内或喷射显影剂时在传送带平台上进行。喷射压力可在5至40psi、例如10至25psi的范围内。
显影后，本发明波导可经最终固化步骤。所述固化可包括例如泛光曝光，例如用1至2J/cm2的光化辐射。此外或择一地，可使所述波导在约130至300℃的温度下在空气或惰性气氛如氮气或氩气中加热。接着，如前面所述在第一包层4和芯结构6’上形成第二包层10。所述第二包层可与第一包层相同或不同。可如前面针对第一包层所述使第二包层热活化和/或光活化提供波导结构。所述第二包层典型地沉积至厚约1至100μm、例如约10至50μm。
本发明光波导在各种波长下具有极好的透明性。因此，本发明光波导可在例如600至1700nm下使用。显然本发明光波导可有利地在其它波长下使用。因此，本发明光波导特别适用于数据通信和电信应用。
图2示出根据本发明另一方面的典型电子器件。所述电子器件是分光器，包括在波导包层4上形成的波导芯6。输入的信号波长λ在Y接合处12分成两个等波长但功率减小的光信号λ‘。
以下实施例是要进一步说明本发明的各方面，但不在任何方面限制本发明的范围。实施例中所用wt％是基于包括溶剂的全部组合物。
实施例1
使40.74wt％丙二醇单甲醚乙酸酯、53.76wt％苯基-甲基-二甲基硅倍半氧烷(49∶49∶2wt％基于聚合物)、5.38wt％聚四氢呋喃、0.11wt％全氟丁磺酸二苯基萘基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合。用80号压延棒将所述组合物涂于用浮石磨洗过的覆铜薄层压板之上。使所述涂布层压板在烘箱内于90℃干燥30分钟。将限定所要波导的原图直接置于所述组合物之上。所述原图包括形成各种尺寸和形状的波导的图案，如长度在2和14cm之间、宽15至50μm的线形、枝状、和曲线形波导。使所述涂布层压板在500mJ下曝光，在90℃的烘箱中放置15分钟。然后使曝光后的层压板在37.8℃(100°F)的0.7N氢氧化钠显影液中浸渍30秒。然后将所述层压板在去离子水中漂洗和干燥。在烘箱中将所述层压板加热至200℃持续60分钟。在1/16英寸直径的芯棒上使所述波导弯曲。基于目视观察可见基底层压板破裂而涂层未破裂。
实施例2
使50wt％丙二醇单甲醚乙酸酯、42wt％苯基-甲基硅倍半氧烷(60∶40wt％基于聚合物)、5wt％二羟基封端的聚环氧乙烷、2.99wt％六氟磷酸三苯基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合。将所述组合物辊涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的环氧层压板(如印刷线路板制造中常用的)之上达60μm厚。然后使所述组合物在对流烘箱内于90℃、空气中干燥45分钟。将如实施例1中所述但线宽为40至200μm的原图直接置于所述组合物之上。给所述结构施加1000mJ/cm2的光化辐射，然后在90℃、空气中进行30分钟的曝光后烘烤。然后将所述曝光后的结构放在37.8℃(100°F)的含0.7N氢氧化钠显影液的喷射显影剂中总计120秒。将所述层压板在去离子水中漂洗和干燥。用2000mJ/cm2的光化辐射使所得波导泛光曝光，然后在对流烘箱内于180℃、空气中硬固化120分钟。预计形成柔性光波导。
实施例3
使45wt％丙二醇单甲醚乙酸酯、25wt％三氟甲基-苯基-硅倍半氧烷(10∶90wt％基于聚合物)、15wt％聚四氢呋喃、4.95wt％苯偶姻甲苯磺酸酯和0.05wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合。将所述组合物以2500rpm旋涂在6in.二氧化硅涂布的硅晶片上并在加热板上于90℃、空气中软烤2分钟，达8μm厚。将如实施例1中所述的原图直接置于所述组合物之上。给所述结构施加2000mJ/cm2的光化辐射，然后在90℃、空气中进行2分钟的曝光后烘烤。然后使曝光后的晶片在37.8℃(100°F)的丙二醇单甲醚乙酸酯显影液中浸渍30秒。然后将所述晶片在去离子水中漂洗和干燥。将所述晶片在加热板上于空气中加热至200℃10分钟。预计形成柔性光波导。
实施例4
使37wt％丙二醇单甲醚乙酸酯、47.99wt％甲基-苯基硅倍半氧烷(50∶50wt％基于聚合物)、10wt％聚乙烯基苯酚、5wt％三氟甲磺酸三苯基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合。将所述组合物辊涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的环氧层压板(如印刷线路板制造中常用的)之上达60μm厚。然后使所述组合物在对流烘箱内于90℃、空气中干燥45分钟。将如实施例1中所述但线宽为40至200μm的原图直接置于所述组合物之上。给所述结构施加1000mJ/cm2的光化辐射，然后在90℃、空气中进行30分钟的曝光后烘烤。然后将所述曝光后的结构放在37.8℃(100°F)的含0.7N氢氧化钠显影液的喷射显影剂中总计120秒。将所述层压板在去离子水中漂洗和干燥。用2000mJ/cm2的光化辐射使所得波导泛光曝光，然后在对流烘箱内于180℃、空气中硬固化120分钟。预计形成柔性光波导。
实施例5
使30wt％丙二醇单甲醚乙酸酯、54.99wt％甲基-苯基硅倍半氧烷(40∶60wt％基于聚合物)、10wt％二醇封端的聚(己二酸1，4-亚丁酯)、5wt％三氟甲磺酸三苯基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合。将所述组合物辊涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的环氧层压板(如印刷线路板制造中常用的)之上达50μm厚。然后使所述组合物在对流烘箱内于90℃、空气中干燥30分钟。将如实施例1中所述但线宽为40至200μm的原图直接置于所述组合物之上。给所述结构施加800mJ/cm2的光化辐射，然后在90℃、空气中进行30分钟的曝光后烘烤。然后将所述曝光后的结构放在37.8℃(100°F)的含0.7N氢氧化钠显影液的喷射显影剂中总计120秒。将所述层压板在去离子水中漂洗和干燥。使所得波导在对流烘箱内于180℃、空气中硬固化120分钟。预计形成柔性光波导。
实施例6
使40wt％丙二醇单甲醚乙酸酯、49.99wt％甲基-苯基硅倍半氧烷(40∶60wt％基于聚合物)、5wt％聚己内酯三醇、5wt％三氟甲磺酸三苯基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合。将所述组合物辊涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的环氧层压板(如印刷线路板制造中常用的)之上达50μm厚。然后使所述组合物在对流烘箱内于90℃、空气中干燥30分钟。将如实施例1中所述但线宽为40至200μm的原图直接置于所述组合物之上。给所述结构施加800mJ/cm2的光化辐射，然后在90℃、空气中进行30分钟的曝光后烘烤。然后将所述曝光后的结构放在37.8℃(100°F)的含0.7N氢氧化钠显影液的喷射显影剂中总计120秒。将所述层压板在去离子水中漂洗和干燥。使所得波导在对流烘箱内于180℃、空气中硬固化120分钟。预计形成柔性光波导。
实施例7
包层
使40.61wt％丙二醇单甲醚乙酸酯、53.47wt％苯基-甲基-二甲基硅倍半氧烷(49∶49∶2wt％基于聚合物)、5.35wt％聚四氢呋喃、0.56wt％胺保护的十二烷基苯基硫酸酯和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成包层组合物。用80号压延棒将所述组合物涂于机械磨洗过的铜层压板之上。使所述层压板在烘箱内于90℃干燥30分钟，然后在烘箱内于180℃硬烘烤1小时。
芯
用35.75wt％丙二醇单甲醚乙酸酯、56.44wt％苯基-甲基-二甲基硅倍半氧烷(49∶49∶2wt％基于聚合物)、6.24wt％聚四氢呋喃、1.56wt％全氟丁磺酸二苯基萘基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成的芯组合物涂布所述包层。使所述涂布层压板在烘箱内于90℃干燥30分钟。将限定所要波导的原图直接置于所述组合物之上。所述原图包括形成各种尺寸和形状的波导的图案，如长度在2和14cm之间、宽15至50μm的线形、枝状、和曲线形波导。使所述涂布的层压板在500mJ下曝光，在90℃的烘箱中放置15分钟。然后使所述涂布的层压板在37.8℃(100°F)的0.7N氢氧化钠显影液中浸渍30秒。然后将所述涂布的层压板在去离子水中漂洗和干燥。在烘箱中将所述涂布的层压板加热至200℃持续60分钟。在1/16英寸直径的芯棒上使所述波导弯曲。基于目视观察可见基底层压板破裂而所述包层和芯层未破裂。
实施例8
包(1)层
使39wt％丙二醇单甲醚乙酸酯、48.5wt％苯基-甲基-二甲基硅倍半氧烷(35∶65wt％基于聚合物)、7.5wt％二羟基封端的聚环氧乙烷、4.99wt％胺保护的十二烷基苯基硫酸酯和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成第一包层组合物。将所述组合物辊涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的环氧层压板(如印刷线路板制造中常用的)之上达50μm厚。然后使所述组合物在对流烘箱内于90℃、空气中干燥45分钟。将所述涂布第一包层的基质在180℃加热1.5小时。
芯
用实施例2的芯组合物涂布所述第一包层并如实施例2中所述形成图案和固化。
包(2)层
用与形成第一包层相同的组合物和方法在组成图案的芯和第一包层上形成第二包层组合物，但软烘烤后第二包层的厚度为60μm。预计形成柔性光波导。
实施例9
包(1)层
使50wt％丙二醇单甲醚乙酸酯、40.99wt％苯基-甲基硅倍半氧烷(40∶60wt％基于聚合物)、4wt％聚四氢呋喃、5wt％三氟甲基硫酸三苯基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成第一包层组合物。将所述组合物以2000rpm旋涂在6in.二氧化硅涂布的硅晶片上并在加热板上于90℃、空气中软烘烤2分钟，达8μm厚。使所述组合物受到800mJ的辐射，在加热板上于90℃加热2分钟。然后在加热板上于200℃、空气中硬烘烤该组合物10分钟。
芯
用实施例3的芯组合物涂布所述第一包层并如实施例3中所述形成图案和固化。
包(2)层
用与形成第一包层相同的组合物和方法在组成图案的芯和第一包层上形成第二包层组合物，但软烘烤后第二包层的厚度为10μm。预计形成柔性光波导。
实施例10
包(1)层
使39wt％丙二醇单甲醚乙酸酯、56wt％苯基-甲基硅倍半氧烷(50∶50wt％基于聚合物)、10％二羟基封端的聚丙二醇、4.99wt％胺保护的十二烷基苯基硫酸酯和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成第一包层组合物。将所述组合物辊涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的环氧层压板(如印刷线路板制造中常用的)之上达50μm厚。然后使所述组合物在对流烘箱内于90℃、空气中干燥45分钟。将所述涂布第一包层的基质在180℃加热1小时。
芯
用实施例4的芯组合物涂布所述第一包层并如实施例4中所述形成图案和固化。
包(2)层
用与形成第一包层相同的组合物和方法在组成图案的芯和第一包层上形成第二包层组合物，但软烘烤后第二包层的厚度为60μm。预计形成柔性光波导。
实施例11
包(1)层
使39wt％丙二醇单甲醚乙酸酯、56wt％苯基-甲基硅倍半氧烷(50∶50wt％基于聚合物)、10％二羟基封端的聚丙二醇、4.99wt％胺保护的十二烷基苯基硫酸酯和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成第一包层组合物。将所述组合物辊涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的环氧层压板(如印刷线路板制造中常用的)之上达50μm厚。然后使所述组合物在对流烘箱内于90℃、空气中干燥45分钟。将所述涂布第一包层的基质在180℃加热1小时。
芯
用实施例5的芯组合物涂布所述第一包层并如实施例5中所述形成图案和固化。
包(2)层
用与形成第一包层相同的组合物和方法在组成图案的芯和第一包层上形成第二包层组合物，但软烘烤后第二包层的厚度为60μm。预计形成柔性光波导。
实施例12
包(1)层
使39wt％丙二醇单甲醚乙酸酯、56wt％苯基-甲基硅倍半氧烷(50∶50wt％基于聚合物)、10％二羟基封端的聚丙二醇、4.99wt％胺保护的十二烷基苯基硫酸酯和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成第一包层组合物。将所述组合物辊涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的环氧层压板(如印刷线路板制造中常用的)之上达50μm厚。然后使所述组合物在对流烘箱内于90℃、空气中干燥45分钟。将所述涂布第一包层的基质在180℃加热1小时。
芯
用实施例6的芯组合物涂布所述第一包层并如实施例6中所述形成图案和固化。
包(2)层
用与形成第一包层相同的组合物和方法在组成图案的芯和第一包层上形成第二包层组合物，但软烘烤后第二包层的厚度为60μm。预计形成柔性光波导。
虽然已结合其具体实施方案详细地描述了本发明，但在不背离权利要求范围的情况下可做各种改变和修改及使用等同物对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (10)

1.一种组合物，包括：
一种聚合物，包含式(RSiO1.5)的单元和多个官能端基，其中R为取代或未取代的有机基团；
用于改变活化时干态组合物溶解度的第一组分；和
包含多个选自羟基、氨基、硫醇、磺酸酯、羧酸酯、甲硅烷基酯、酐、氮丙啶、羟甲基甲基、甲硅烷基醚、及其组合的官能团的第二组分，其中所述第二组分以改善活化前后干态组合物柔性的有效量存在。
2.权利要求1的组合物，其中所述聚合物还包含式(R1SiO1.5)的单元，其中R1为取代或未取代的有机基团，而且与R不同。
3.权利要求1或2的组合物，其中所述第二组分包含选自取代和未取代的烷基和芳基烃、醚、丙烯酸酯、酚醛清漆树脂、纳米粒子、聚酰亚胺、聚氨酯、聚酯、聚砜、聚酮、富勒烯、POSS硅、及其组合的材料。
4.权利要求1或2的组合物，其中所述第二组分为多元醇。
5.权利要求1或2的组合物，其中所述第二组分为聚醚二醇。
6.权利要求1-5之任一的组合物，其中所述组合物在干态可在含水显影剂中显影。
7.一种柔性光波导，包括芯和包层，其中所述芯和/或包层由权利要求1-6之任一的组合物形成。
8.一种包括芯和包层的柔性光波导的形成方法，所述方法包括：
(a)由权利要求1-6之任一的组合物在基质上形成层；和
(b)使所述层的至少一部分活化，其中所述层为芯或包层。
9.权利要求8的方法，其中所述层为芯层，其中
(b)包括使所述芯层的一部分活化，还包括：
(c)使所述芯层显影形成芯结构。
10.权利要求8的方法，其中所述层为第一包层，还包括：
(c)由与(a)的组合物相同或不同的由(a)中所定义的第二组合物在所述包层上形成芯层；
(d)使所述芯层的一部分活化；
(e)使所述芯层显影形成芯结构；和
(f)由与(a)和/或(c)的组合物相同或不同的由(a)中所定义的第三组合物在所述芯结构上形成第二包层。
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